JP2002111059A - 光半導体素子及び光半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光半導体素子において、正孔のｎ型クラッド
層へのオーバーフローと光取り出し効率の低下を防止す
る。 【解決手段】 ｎ型Ｍｇ_xＺｎ_1-xＯクラッド層５と、そ
の上に形成されたＩｎ_yＧａ_1-yＮ活性層１１と、その上
に形成されたｐ型Ｍｇ_zＺｎ_1-zＯクラッド層１５と、ｎ
型Ｍｇ_xＺｎ_1-xＯクラッド層５に対して電気的にコンタ
クトを形成する第１の電極２３と、ｐ型Ｍｇ_zＺｎ_1-zＯ
クラッド層１５に対して電気的にコンタクトを形成する
第２の電極２５とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光半導体素子に関
し、特に、ＭｇＺｎＯをクラッド層として用いたＧａＮ
系発光ダイオード及びレーザーダオイオードに関する。

【０００２】

【従来の技術】図６に、ＧａＮ系の材料を用いた発光ダ
イオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：
ＬＥＤ）の基本構造を示す。

【０００３】図６に示すように、発光ダイオードＸは、
サファイヤ基板１０１と、その上に形成されているＧａ
Ｎバッファ層１０３と、ｎ型ＧａＮクラッド層１０５
と、ｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層１０７と、Ｉｎ_xＧ
ａ_1-xＮ活性層１１１と、ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド
層１１３と、ｐ型ＧａＮクラッド層１１５との積層を含
む。

【０００４】ｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層１０７、Ｉ
ｎ_xＧａ_1-xＮ活性層１１１、ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッ
ド層１１３、ｐ型ＧａＮクラッド層１１５は島状に加工
されて島状の積層構造ＳＳをなし、ｎ型ＧａＮ層１０５
の一部表面が露出している。

【０００５】島状の積層構造ＳＳの側壁は、絶縁膜１２
１により被覆されている。絶縁膜１２１には、ｐ型Ｇａ
Ｎ層１１５の表面を露出する開口部１２２が形成されて
いる。

【０００６】ｎ型ＧａＮ層１０５の表面には、第１（ｎ
側）電極１２３が形成されている。ｐ型ＧａＮ層１１５
上に光を透過する第２（ｐ型）電極１２５が形成されて
いる。第２電極１２５は、好ましくは開口部１２２全面
を覆うように形成されている。

【０００７】第１電極１２３に対して第２電極１２５に
正の電圧を印加すると、ｐ−ｎ接合が順バイアスされ、
ｎ型ＧａＮクラッド層１０５側から電子が、ｐ型ＧａＮ
クラッド層１１５側から正孔がＩｎ_xＧａ_1-xＮ活性層１
１１に向けて移動し、活性層１１１内において電子と正
孔との再結合が生じる。電子と正孔とが再結合する際
に、活性層のバンドギャップのエネルギーに対応する波
長の発光が起こる。発生した光は、第２電極１２５を透
過して発光ダイオードＸの光学面から出射する。

【０００８】ｎ型及びｐ型のクラッド層であるＡｌ_xＧ
ａ_1-xＮ層１０７、１１３のＡｌ組成ｘは、０≦ｘ≦
０．２の範囲が一般的であるが、必要に応じて組成ｘを
変化させることができる。

【０００９】尚、レーザーダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄ
ｉｏｄｅ：ＬＤ）は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ活性層１１１の２
端面でキャビティを形成し、一方、端面（図６の紙面に
垂直な方向）からの光を取り出す点でＬＥＤと異なる
が、構造は図６に示すＬＥＤの構造と同様である。

【００１０】図７は、真空準位を基準（０ｅＶ）にした
場合の、ＧａＮ系３元混晶系のＩｎ _xＧａ_1-xＮ活性層１
１１とＡｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層１０７との伝導帯の最
小エネルギー値Ｅｃと価電子帯の最大エネルギー値Ｅｖ
との、Ｉｎ又はＡｌの組成ｘに対する依存性を示す図で
ある。

【００１１】尚、Ｅｃの値は、Ｅｃ＝Ｅｇ＋Ｅｖの式か
ら求まる。ここで、Ｅｇはバンドギャップである。Ｉ
ｎ、Ａｌの組成ｘに対するバンドギャップＥｇの値は、
次式より求めた。この式は、ＧａＮ系３元混晶で広く認
められている式である。

【００１２】 Ｅｇ(Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ)＝ｘ × Ｅｇ（ＩｎＮ） ＋ （１-ｘ）× Ｅｇ（ＧａＮ ）−ｂ×ｘ×（１−ｘ） （１） Ｅｇ(Ａｌ_xＧａ_1-xＮ)＝ｘ × Ｅｇ（ＡｌＮ） ＋ （１-ｘ）× Ｅｇ（ＧａＮ ）−ｂ×ｘ×（１−ｘ） （２） 但し、Ｅｇ（ＧａＮ）＝３．４（ｅＶ）、Ｅｇ（Ｉｎ
Ｎ） ＝ １．９５（ｅＶ）、Ｅｇ（ＡｌＮ）＝６．２
（ｅＶ）とした。

【００１３】ｂは湾曲パラメーターであり、ＩｎＧａ
Ｎ、ＡｌＧａＮともに、約１ｅＶであることが知られて
いる。

【００１４】図８は、ＧａＮ系ＬＥＤ又はＬＤのエネル
ギーバンド構造の例を模式的に示した図である。

【００１５】図６の構造は、サファイヤ（００２）／ｎ
−ＧａＮ／ｎ−Ａｌ _0.2Ｇａ_0.8Ｎ／ｎ−Ｉｎ_0.3Ｇａ
_0.7Ｎ／ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ／ｐ−ＧａＮの構造を有
する。

【００１６】図８は、サファイヤ基板上の積層のエネル
ギーバンド構造を示す。横軸が基板上の高さを示し、縦
軸がエネルギーを単位ｅＶで示す。

【００１７】ｐ−ｎ接合に対して順バイアスを印加した
時に、ｎ型クラッド層から活性層へ向けて電子が注入さ
れ、ｐ型クラッド層から活性層へ向けて正孔が注入され
る。

【００１８】活性層へ注入された電子がｐ型クラッド層
ヘオーバーフローするのを防ぎ、活性層内で、有効に発
光性再結合（ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａ
ｔｉｏｎ）に寄与させる為に、ｐ−ＡｌＧａＮを設けて
いる。

【００１９】特にＬＥＤの場合には、光を取り出す側の
ｐ型電極として半透明電極を用いる。

【００２０】半透明電極としては、主にＡｕ系の薄い電
極を用いる。

【００２１】尚、光の取り出し効率を増大させる為に、
Ｉｎ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂、ＺｎＯなどの高い光透過率を有す
るｎ型酸化物半導体を用いた透明導電膜を用いることも
できる。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、単一量子井
戸（Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：ＳＱＷ）
や多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗ
ｅｌｌ：ＭＱＷ）などの数ｎｍから数１０ｎｍの厚さを
有する活性層を備えたＬＥＤやＬＤの場合に上述の材料
を用いると、ｎ型クラッド層と活性層との接合領域にお
けるΔＥｖが小さいため（図８参照）、順方向バイアス
時に、活性層からｎ型クラッド層に正孔がオーバーフロ
ーしてしまい、活性層内で放射再結合に寄与する割合が
低下してしまう。いわゆる、正孔のｎ型クラッド層への
オーバーフローの問題が生じる。

【００２３】図９に、下側Ｎｉ（０．３ｎｍ）、上側Ａ
ｕ（１０ｎｍ）の半透明積層電極の透過率特性を示す。

【００２４】図９に示すように、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤの
発光波長範囲、例えば約３８０ｎｍから５５０ｎｍまで
の範囲において、Ｎｉ／Ａｕは、５０％から６０％程度
の透過率しか有していない。活性層内での発光成分のう
ち外部へ取り出すことができるのは約５０％程度であ
る。いわゆる、Ａｕ系の半透明電極による光取り出し効
率の低下という問題が生じる。

【００２５】光の取り出し効率を増大させる為に、Ｉｎ
₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂、ＺｎＯなどの高い透過率を有するｎ型
酸化物半導体により形成される透明導電膜をｐ型電極と
して用いることも考慮される。

【００２６】しかしながら、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂、Ｚｎ
Ｏなどを用いると、透明導電膜がｎ型であるため、これ
らの透明導電膜とｐ型クラッド層との間にｐ−ｎ接合が
形成されてしまう。素子に順バイアスを印加した場合、
ｐ型クラッド層とｎ型酸化物半導体よりなる透明導電膜
との間には、逆方向バイアスが印加されることになる。
逆方向バイアスが印加されると、ｐ−ｎ接合の界面にお
いて空乏層が拡がり、それに起因する駆動電圧の上昇
や、発熱による発光効率の低下などの問題が生じる。い
わゆる、ｎ型酸化物半導体透明導電膜による素子の高抵
抗化という問題が生じる。

【００２７】本発明の目的は、正孔のｎ型クラッド層へ
のオーバーフローと光取り出し効率の低下を防止するこ
とである。

【００２８】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、ｎ型Ｍｇ_xＺｎ_1-xＯクラッド層と、前記ｎ型Ｍｇ_x
Ｚｎ_1-xＯクラッド層上に形成されたＩｎ_yＧａ_1-yＮ活
性層と、前記Ｉｎ_yＧａ_{1- y}Ｎ活性層上に形成されたｐ型
Ｍｇ_zＺｎ_1-zＯクラッド層と、前記ｎ型Ｍｇ_xＺｎ _1-xＯ
クラッド層に対して電気的にコンタクトを形成する第１
の電極と、前記ｐ型Ｍｇ_zＺｎ_1-zＯクラッド層に対して
電気的にコンタクトを形成する第２の電極とを含む光半
導体素子が提供される。

【００２９】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態による
光半導体素子について図１から図３までを参照して説明
する。

【００３０】図１は、光半導体素子の構造断面図であ
る。

【００３１】図１に示す発光ダイオードＡは、（００
２）面を主表面とするサファイヤ基板１と、その上に形
成されたバッファ層３と、ｎ−Ｍｇ_xＺｎ_1-xＯクラッド
層５と、Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ活性層１１と、ｐ−Ａｌ_vＧａ
_1-vＮクラッド層１３と、ｐ−Ｍｇ_zＺｎ_1-zＯクラッド
層１５とを含む。ｐ−Ｍｇ_zＺｎ_1-zＯクラッド層のｚ値
は、０≦ｚ≦０．３３である。

【００３２】バッファ層３としては、例えばＭｇＺｎＯ
系のバッファ層（例：Ｍｇ_0.05Ｚｎ _0.95Ｏ）が用いられ
る。尚、バッファ層３とｎ−Ｍｇ_xＺｎ_1-xＯクラッド層
５との間に、ｎ−ＺｎＯクラッド層（図示せず）を挿入
しても良い。

【００３３】また、各層のｖ、x、ｙ及びｚは、０から
１までの間の値を取りうる。例えば、ｙ＝０．３、ｘ＝
０．３３、ｖ＝０．２などの値をとることができる。も
ちろん、ｎ−Ｍｇ_xＺｎ_1-xＯクラッド層５とｐ−Ｍｇ_z
Ｚｎ_1-zＯクラッド層１５との間でｘ値およびｚ値と同
じ値（ｘ＝ｚ）であっても良いが、必ずしも同じ値であ
る必要はない。

【００３４】上記の各層は、ＲＳ−ＭＢＥ（Ｒａｄｉｃ
ａｌ−Ｓｏｕｒｃｅ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅ
ｐｉｔａｘｙ）法を用いて成長した。

【００３５】以下に、上記の各層の成長条件について説
明する。

【００３６】例として、サファイヤ基板（００２）上
に、Ｍｇ_0.05Ｚｎ_0.95Ｏバッファ層、ｎ−ＺｎＯクラッ
ド層、ｎ−Ｍｇ_0.33Ｚｎ_0.67Ｏクラッド層と、Ｉｎ_0.3
Ｇａ_0.7Ｎ活性層と、ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラッド層
と、ｐ−Ｍｇ_0.33Ｚｎ_0.67Ｏクラッド層とを含む結晶構
造の成長方法を示す。

【００３７】結晶成長時の圧力は、全層とも１×１０^-5
Ｔｏｒｒ（１．３３×１０^-3Ｐａ）である。

【００３８】以下に各層の成長温度、膜厚及び成長原料
の例を示す。尚、Ｐ（原子、分子名）との記載は、基板
位置においたイオンゲージで測定した材料原子（または
分子）の分子線強度を示す。ＲＦ（原子、分子名）との
記載は、各材料原子（または分子）のＲＦラジカル源の
出力を示す。ＦＲ（原子、分子名）との記載は、ＲＦラ
ジカル源に流す材料（原子、分子）ガスの流量を示す。

【００３９】Ｍｇ_0.05Ｚｎ_0.95Ｏバッファ層の成長条件
は、成長温度が３５０℃、膜厚が５０ｎｍである。Ｐ
（Ｍｇ）＝５×１０^-8Ｔｏｒｒ（６．６５×１０^-6Ｐ
ａ）、Ｐ（Ｚｎ）＝１×１０^-6Ｔｏｒｒ（１．３３×１
０^-4Ｐａ）、ＲＦ（Ｏ₂）＝３００Ｗ、ＦＲ（Ｏ₂）＝２
ｓｃｃｍである。

【００４０】ｎ−ＺｎＯクラッド層の成長条件は、成長
温度が５００℃、膜厚が２μｍである。Ｐ（Ｚｎ）＝
１．０×１０^-6Ｔｏｒｒ（１．３３×１０^-4Ｐａ）、Ｒ
Ｆ（Ｏ ₂）＝３００Ｗ、ＦＲ（Ｏ₂）＝２ｓｃｃｍ、Ｐ
（Ｇａ）＝１×１０^-9Ｔｏｒｒ（１．３３×１０^-7Ｐ
ａ）である。尚、Ｇａはｎ型のドーパントである。

【００４１】尚、本実施の形態においては、ｎ−ＺｎＯ
クラッド層を形成してはいないが、上記の条件で、Ｍｇ
_0.05Ｚｎ_0.95Ｏバッファ層とｎ−Ｍｇ_0.33Ｚｎ_0.67Ｏク
ラッド層との間にｎ−ＺｎＯクラッド層を挿入しておい
ても良い。

【００４２】ｎ−Ｍｇ_0.33Ｚｎ_0.67Ｏクラッド層の成長
条件は、成長温度が５００℃、膜厚が１００ｎｍであ
る。Ｐ（Ｍｇ）＝５×１０^-7Ｔｏｒｒ（６．６５×１０
^-5Ｐａ）、Ｐ（Ｚｎ）＝１×１０^-6Ｔｏｒｒ（１．３３
×１０^-4Ｐａ）、ＲＦ（Ｏ₂）＝３００Ｗ、ＦＲ（Ｏ₂）
＝２ｓｃｃｍ、Ｐ（Ｇａ）＝１×１０^-9Ｔｏｒｒ（１．
３３×１０^-7Ｐａ）である。

【００４３】ｎ−Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ活性層の成長条件
は、成長温度が５００℃、膜厚が３ｎｍである。Ｐ（Ｉ
ｎ）＝５×１０^-7Ｔｏｒｒ（６．６５×１０^-5Ｐａ）、
Ｐ（Ｇａ）＝１×１０^-6Ｔｏｒｒ（１．３３×１０^-4Ｐ
ａ）である。ＲＦ（ＮＨ₃）＝３００Ｗ、ＦＲ（ＮＨ₃）
＝２ｓｃｃｍである。

【００４４】ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラッド層の成長条
件は、成長温度が６００℃、膜厚が１００ｎｍである。
Ｐ（Ａｌ）＝５×１０^-7Ｔｏｒｒ（６．６５×１０^-5Ｐ
ａ）、Ｐ（Ｇａ）＝１×１０^-6Ｔｏｒｒ（１．３３×１
０^-4Ｐａ）、ＲＦ（ＮＨ₃）＝３００Ｗ、ＦＲ（ＮＨ₃）
＝２ｓｃｃｍ、Ｐ（Ｍｇ）＝１×１０^-9Ｔｏｒｒ（１．
３３×１０^-7Ｐａ）である。尚、Ｍｇは、ｐ型のドーパ
ントである。

【００４５】ｐ−Ｍｇ_0.33Ｚｎ_0.67Ｏクラッド層の成長
条件は、成長温度が５００℃、膜厚が３００ｎｍ、Ｐ
（Ｍｇ）＝５×１０^-7Ｔｏｒｒ（６．６５×１０^-5Ｐ
ａ）、Ｐ（Ｚｎ）＝１×１０^-6Ｔｏｒｒ（１．３３×１
０^-4Ｐａ）である。ＲＦ（Ｏ₂）＝３００Ｗ、ＦＲ
（Ｏ₂）＝２ｓｃｃｍである。

【００４６】尚、ｐ−ＭｇＺｎＯの成長の際は、組成が
Ｇａ：Ｎ＝１：２になるように、Ｐ（Ｇａ）とＲＦ（Ｎ
Ｈ₃）を調節する。

【００４７】上記のように成長した積層構造を加工す
る。

【００４８】Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ活性層１１と、ｐ−Ａｌ_v
Ｇａ_1-vＮクラッド層１３と、ｐ−Ｍｇ_zＺｎ_1-zＯクラ
ッド層１５とが島状に加工されて島状積層構造ＳＳ１を
形成している。これにより、ｎ型Ｍｇ_xＺｎ_1-xＯ層５の
表面の一部が露出する。

【００４９】島状積層構造ＳＳ１の側壁は、絶縁膜２１
により被覆される。絶縁膜２１には、上部に開口２２が
形成されており、開口２２からｐ−Ｍｇ_xＺｎ_1-xＯクラ
ッド層１５の表面が露出している。

【００５０】尚、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ活性層１１は、ダブル
ヘテロ構造（ＤＨ構造）、単一量子井戸又は多重量子井
戸構造で形成される。

【００５１】Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ活性層１１を、ｎ−Ｍｇ
_0.33Ｚｎ_0.67Ｏクラッド層とｐ−Ｍｇ _0.33Ｚｎ_0.67Ｏク
ラッド層とで挟んだダブルヘテロ構造を形成する場合
は、例えばＩｎ_xＧａ_1-xＮ活性層１１の厚さが１０ｎｍ
から１００ｎｍである。ＧａＮ層とＩｎＮ層との単一量
子井戸構造（ＩｎＮウェル層の両側をＧａＮバリアで挟
んだ構造）では、例えば、ＩｎＮウェル層の厚さは１ｎ
ｍから１０ｎｍである。ＧａＮ層とＩｎＮ層との多重量
子井戸構造を形成する場合は、井戸層と障壁層が多数形
成されている。この場合、１井戸層と１障壁層との合計
の膜厚が１０ｎｍ以下であることが好ましい。但し、１
井戸層の厚さは１障壁層の厚さよりも薄いの方が好まし
い。これらの１井戸層と１障壁層とを１単位として、１
単位を３周期から５周期繰り返して多重量子井戸層を形
成するのが好ましい。

【００５２】ｎ−Ｍｇ_xＺｎ_1-xＯクラッド層５の表面に
は、第１の電極２３が形成されている。ｐ−Ｍｇ_zＺｎ
_1-zＯクラッド層１５上に全面を覆う第２電極２５が形
成されている。第２電極２５は、例えばＺｎＯ透明導電
層により形成される。第２電極用材料としては、光学的
には透明であり、かつ、電気的にはｐ−Ｍｇ_zＺｎ_1-zＯ
クラッド層１５と良好なオーミック接触を得られる材料
が好ましい。

【００５３】ｐ−Ｍｇ_zＺｎ_1-zＯクラッド層１５が、Ｌ
ＥＤの光学面を形成する。

【００５４】第１電極２３に対して第２電極２５に正の
電圧を印加すると、ｐ−ｎ接合が順バイアスされ、ｎ−
Ｍｇ_xＺｎ_1-xＯクラッド層５から電子がＩｎ_yＧａ_1-yＮ
活性層１１に向けて移動するとともに、ｐ−Ｍｇ_zＺｎ
_1-zＯクラッド層１５から正孔がＩｎ_yＧａ_1-yＮ活性層
１１に向けて移動する。活性層１１内において電子と正
孔との再結合が生じる。電子と正孔とが再結合する際
に、活性層のバンドギャップエネルギーに対応する波長
の発光が起こる。

【００５５】尚、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層５とＩｎ_y
Ｇａ_1-yＮ活性層１１との間に、ｎ−Ａｌ_uＧａ_1-uＮク
ラッド層を挿入しても良い。

【００５６】また、上記構造は、活性層１１の端面から
レーザー光が発光するレーザーダイオード（Ｌａｓｅｒ
Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）にも適用可能である。

【００５７】尚、端面発光のＬＤに用いる場合には、第
２電極における光の反射率が高くても良い。

【００５８】図２に、図１に示したＧａＮ系ＬＥＤ（Ｌ
Ｄ）のバンド構造の例を示す。

【００５９】図１に示した構造において、ｎ−Ｍｇ_xＺ
ｎ_1-xＯクラッド層５のｘ値は、０．３３、Ｉｎ_yＧａ
_1-yＮ活性層１１のｙ値は０．３、ｐ−Ａｌ_vＧａ_1-vＮ
クラッド層１３のｖ値は０．２、ｐ−Ｍｇ_zＺｎ_1-zＯク
ラッド層１５のｚ値は、０．３３である。

【００６０】図２に示すように、Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ活性
層１１とｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラッド層１３との間の
価電子帯端におけるエネルギーバンドの不連続値ΔＥｖ
は、約０．２３５ｅＶと小さいが、Ｉｎ₀。₃Ｇａ_0.7Ｎ活
性層１１とｎ型Ｍｇ_0.33Ｚｎ _0.67Ｏクラッド５層との間
の価電子帯端におけるエネルギーバンドの不連続値ΔＥ
ｖは、約１．９９９ｅＶと大きい。

【００６１】従って、クラッド層としてｎ型Ｍｇ_0.33Ｚ
ｎ_0.67Ｏクラッド層を用いることにより、Ｉｎ_0.3Ｇａ
_0.7Ｎ活性層１１に注入された正孔のｎ型Ｍｇ_0.33Ｚｎ
_0.67Ｏクラッド層５へのオーバーフローが防止され、Ｉ
ｎＧａＮ活性層１１内において有効に放射性再結合を生
じさせることができる。

【００６２】ｐ−Ｍｇ_0.33Ｚｎ_0.67Ｏクラッド層１５上
に形成されているｐ型電極は、ｐ型のＺｎＯ透明導電膜
からなる第２電極２５である。

【００６３】ｐ型ＺｎＯ透明導電膜は、例えば、Ｇａ：
Ｎ＝１：２の比率の同時ドーピング法を用いて成長す
る。この成方法に関しては、例えば、吉田博らによる文
献、最近の研究「半導体における第一原理計算からの物
質設計」、"まてりあ"、Ｖｏｌ．３８、Ｎｏ．２、（１
９９９）、ｐ１３４−ｐ１４３に記載されている方法を
用いることができる。

【００６４】この文献には、ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法な
どの低温での非平衡結晶成長中に、蒸気分圧を制御しな
がらｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとをある一定の比
を有する濃度で同時にドーピングする方法が記載されて
いる。この方法でドーピングを行うと、アクセプター間
には斥力が働き、アクセプターとドナー間には引力が働
くので、アクセプター・ドナー複合体が形成される。複
合体が形成されると、単独ドーピングの場合と比べて化
学結合が強くなり形成エネルギーが減少するため、ドー
パントの溶解度が大きく上昇する。キャリアの移動度も
上昇する。加えて、ドナーやアクセプターの準位を単独
ドーピングと比べて浅くすることができる。従って、ｐ
型のＺｎＯ透明導電膜を作りやすい。

【００６５】図３に、ＺｎＯ透明導電膜からなる第２電
極２５の光の透過率の波長依存性を示す。図３における
ＺｎＯ透明導電膜の厚さは４２０ｎｍである。

【００６６】図３より、波長４００ｎｍから波長１００
０ｎｍまでの範囲で、光の透過率はほぼ８０％の高い値
が得られている。図９に示すＡｕ系の電極に比べて約２
倍の光透過率を示す。ｐ型ＺｎＯ透明導電膜を用いるこ
とにより、通常のＡｕ系半透明電極を用いた場合と比べ
て約２倍の光をＩｎＧａＮ活性層から外部へ取り出すこ
とができる。

【００６７】また、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層とｐ型Ｚ
ｎＯ透明導電膜とは、同じｐ型の導電体材料により形成
されているため、光半導体素子に対して順方向バイアス
を印加して駆動した場合にｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層と
ｐ型ＺｎＯ透明導電膜との間に障壁が形成されない。光
半導体素子の寄生抵抗（コンタクト抵抗）が高くなるこ
とによる駆動電圧の上昇、発熱による発光効率の低下な
どの問題は少ない。

【００６８】従って、高輝度ＬＥＤの作製が可能とな
る。

【００６９】尚、上記の構造を用いて面発光型のＬＤを
形成した場合にも、同様の効果が得られる。面発光型の
ＬＤを形成する場合には、上部電極（第２電極）の光透
過率は２０から３０％以下であっても良い。

【００７０】加えて、格子定数に関しては、ＧａＮ［１
−１００］とサファイヤ[１１−２０]との間の格子定数
のずれが１６％であり、この値とＺｎＯ[１−１００]と
サファイヤ［１１−２０］との間の格子定数のずれ１８
％は、ほぼ同じである。尚、上記の［ ］内の数字のう
ち"−１"や"−２"などの−の付いている数字は、"
１"、"２"の反転（バー）を示している。

【００７１】従って、ＭｇＺｎＯをクラッド層として用
いた場合、従来のＩｎＧａＮ系ＬＥＤやＬＤに比べて、
格子不整合に起因する品質の低下は生じない。

【００７２】上記（１）式より、ｘ＝０．３におけるＩ
ｎ_xＧａ_1-xＮのＥｇは、２．６９５ｅＶである。発光波
長は４６０ｎｍであり、青色の発光ダイオードが得られ
る。

【００７３】上述の青色発光素子は、種々の用途に用い
ることができる。

【００７４】尚、第２電極２５としてＺｎＯ透明導電層
のような透明導電層を用いる代わりに、第２電極２５
を、反射電極、例えばＡｇやＡｌなどを含む高反射率金
属電極で形成しても良い。基板は透明基板を用いる。

【００７５】第２電極２５を反射電極とした光半導体素
子は、フリップチップ構造を有している。Ｉｎ_xＧａ_1-x
Ｎ活性層１１からの発光は、第２電極（高反射率金属電
極）において反射し、活性層を挟んで第２電極とは反対
側に形成されている透明基板側から光を出射させる。こ
のようなフリップチップ構造においても、青色発光素子
を実現することができる。

【００７６】図４及び図５を参照して青色発光素子の応
用例について説明する。図４は、第１の実施の形態にお
いて説明したＩｎＧａＮ系の光半導体素子Ａ（図１：Ｌ
ＥＤ）を用いたドットマトリックス表示器の構造を示す
斜視図である。

【００７７】光半導体素子（ＬＥＤ）を用いたドットマ
トリックス表示器Ｂは、プリント基板又はセラミックス
基板３１と、その上に形成され一方向に平行に延びる３
本のデータライン３３と、データライン３３とは電気的
に絶縁されデータライン３３と交差する方向に延びる複
数本のコモンライン３５と、データライン３３とコモン
ライン３５との交差部近傍のコモンライン３５上に、各
交点に３つずつ搭載されたＬＥＤ３７とを有している。

【００７８】各交点に配置されている３つのＬＥＤ３７
は、赤色ＬＥＤ３７ａ、緑色ＬＥＤ３７ｂ、青色ＬＥＤ
３７ｃである。これら３色のＬＥＤにより１つのドット
を形成している。

【００７９】青色ＬＥＤ３７ｃは、第１の実施の形態に
よる光半導体素子を用いることができる。発光波長は、
ｘ＝０．３において約４５０ｎｍである。赤色ＬＥＤ３
７ａは、例えば活性層にＡｌＧａＡｓを用いた発光波長
６７０ｎｍのＬＥＤである。緑色ＬＥＤ３７ｂは、例え
ばＧａＰ系の半導体材料を活性層として用いたＬＥＤで
あり、発光波長は約５５０ｎｍである。

【００８０】各データライン３３は、各色のＬＥＤごと
に独立したデータラインを３本有している。各ＬＥＤ３
７は、光学面とは反対側に設けられた電極が、コモンラ
イン３５に共通に接続されている。光学面側の電極は、
赤色ＬＥＤ３７ａ、緑色ＬＥＤ３７ｂ、青色ＬＥＤ３７
ｃのそれぞれが独立にデータライン３３中の各色ごとの
データラインと電気的に接続されている。

【００８１】ＬＥＤが設けられている領域を除く領域上
を覆って、基板３１上に反射枠４１が設けられている。
ＬＥＤが設けられている領域上には、光を拡散させるた
めの拡散フィルムが設けられている。

【００８２】図５に、ドットマトリックス表示器の回路
図を示す。

【００８３】図５に示すように、コモンライン３３−１
から３３−ｍまでと、コモンラインと交差するデータラ
イン３５−１から３５−ｎまでが設けられ、それらの交
点に、３色のＬＥＤ３７ａ、３７ｂ、３７ｃが設けられ
ている。データライン３５−１から３５−ｎまでの各々
は、赤色用、緑色用、青色用のそれぞれのデータライン
Ｘ_nR、Ｘ_nG、Ｘ_nBを有している。ここでｍ、ｎは、正の
整数である。尚、ｍ、ｎが等しくても良い。

【００８４】赤、緑、青のＬＥＤ３７ａ、３７ｂ、３７
ｃで１ドットを構成したマトリックス回路を駆動するた
めには、３３−１から３３−ｎのコモンラインに接続さ
れているドライバを順次オンさせ、３３−１がオンして
いる間に、３５−１から３５−ｎの信号ラインに表示し
たい３色のいずれか、又は、３色中の２色の組み合わ
せ、３色全ての組み合わせのいずれかの信号を入力す
る。次にコモンライン３３−２でも同じ動作を行い、３
３−ｎまで走査すると、３３−１に戻る駆動動作を繰り
返し実行する。

【００８５】以上の動作により、赤、緑、青の３原色を
用いてフルカラーの表示を行うことができる。

【００８６】尚、面発光型ＬＤの場合にも、ＬＥＤと同
様にｐ型電極として高透過率のｐ型ＺｎＯ透明導電膜を
用いるのが好ましい。但し、端面発光型のＬＤの場合に
は、ｐ型電極として高透過率のｐ型ＺｎＯ透明導電膜を
用いなくても良い。

【００８７】以上説明したように、本実施の形態による
光半導体装置を用いれば、短波長(紫外〜青)ＬＥＤ及び
その応用製品(各インジケーター、ＬＥＤディスプレイ
等)、白色ＬＥＤ及びその応用製品(照明器具、各インジ
ケーター、ディスプレイ、各表示器のバック照明等)に
適用することができる。ディスクやバーコード等の読取
光源としても好適である。

【００８８】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。その他、種
々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自
明であろう。

【００８９】

【発明の効果】ＭｇＺｎＯをｎ型クラッド層として用い
ることにより、光半導体素子を駆動する際に、活性層内
に注入された正孔がｎ型クラッド層ヘオーバーフローす
るのを防ぐことができる。低しきい値のＬＤ、高輝度の
ＬＥＤの作製が可能となる。

【００９０】特にＬＥＤや面発光型ＬＤの場合、ＭｇＺ
ｎＯをｐ型クラッド層として用い、ｐ型電極として高透
過率のｐ型ＺｎＯ透明導電膜を用いることができ、光の
取り出し効率が、従来のＡｕ系電極の約２倍に増大す
る。

【００９１】従って、高輝度のＬＥＤや面発光型ＬＤの
作製が可能となる。青色ＬＥＤ（ＬＤ）と赤色、緑色Ｌ
ＥＤ（ＬＤ）とを組み合わせることにより、フルカラー
の表示を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態によるＩｎＧａＮ
系ＬＥＤの構造断面図である。

【図２】 本発明の第１の実施の形態によるＩｎＧａＮ
系ＬＥＤのバンド構造を示す模式的な図面である。

【図３】 本発明の第１の実施の形態によるＩｎＧａＮ
系ＬＥＤに用いられるＺｎＯ導電性透明電極の光透過率
の波長依存性を示す図である。

【図４】 第１の実施の形態によるＩｎＧａＮ系ＬＥＤ
を用いたドットマトリックス表示器の構造図である。

【図５】 第１の実施の形態によるＩｎＧａＮ系ＬＥＤ
を用いたドットマトリックス表示器の回路図である。

【図６】 従来のＩｎＧａＮ系ＬＥＤの構造断面図であ
る。

【図７】 ＧａＮ系３元系結晶の伝導帯及び価電子帯の
バンド端のエネルギー値の組成依存性を示す図である。

【図８】 従来のＩｎＧａＮ系ＬＥＤのバンド構造を示
す模式的な図面である。

【図９】 ＩｎＧａＮ系ＬＥＤにＡｕ系の電極を用いた
場合の光透過率の波長依存性を示す図である。

【符号の説明】

１ サファイヤ基板（００２） ３ バッファ層 ５ ｎ−Ｍｇ_xＺｎ_1-xＯクラッド層 １１ Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ活性層 １３ ｐ−Ａｌ_vＧａ_1-vＮクラッド層 １５ ｐ−Ｍｇ_zＺｎ_1-zＯクラッド層 ＳＳ１ 積層構造 ２１ 絶縁膜 ２２ 開口 ２３ 第１の電極 ２５ 第２の電極（透明電極） ３１ 基板 ３３ データライン ３５ コモンライン ３７ａ 赤色ＬＥＤ ３７ｂ 緑色ＬＥＤ ３７ｃ 青色ＬＥＤ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 五月女 博明 神奈川県横浜市青葉区荏田西１−３−１ スタンレー電気株式会社技術研究所内 Ｆターム(参考） 5F041 AA03 CA34 CA40 CA41 CA82 CA88 CB15 DA14 DA20 DB08 FF06 5F073 AA74 CA07 CA22 CB05 CB07 CB19 CB22 DA06

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｎ型Ｍｇ_xＺｎ_1-xＯクラッド層と、 前記ｎ型Ｍｇ_xＺｎ_1-xＯクラッド層上に形成されたＩｎ
   _yＧａ_1-yＮ活性層と、 前記Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ活性層上に形成されたｐ型Ｍｇ_zＺ
   ｎ_1-zＯクラッド層と、 前記ｎ型Ｍｇ_xＺｎ_1-xＯクラッド層に対して電気的にコ
   ンタクトを形成する第１の電極と、 前記ｐ型Ｍｇ_zＺｎ_1-zＯクラッド層に対して電気的にコ
   ンタクトを形成する第２の電極とを含む光半導体素子。
2. 【請求項２】 前記第２の電極は、ｐ型ＺｎＯ透明導電
   膜である請求項１に記載の光半導体素子
3. 【請求項３】 前記第２の電極は、反射電極である請求
   項１に記載の光半導体素子
4. 【請求項４】 前記ｘは、０から０．３３までの間であ
   り、前記ｙは、０から０．３までの間であり、前記ｚ
   は、０から０．３３までの間である請求項１から３まで
   のいずれか１項に記載の光半導体素子。
5. 【請求項５】 さらに、前記Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ活性層と前
   記ｐ型Ｍｇ_zＺｎ_1-zＯクラッド層との間にｐ型Ａｌ_vＧ
   ａ_1-vＮが配置された請求項１から４までのいずれか１
   項に記載の光半導体素子。
6. 【請求項６】 前記ｖは、０から０．２までの間である
   請求項５に記載の光半導体素子。
7. 【請求項７】 基板と、 前記基板表面上において行方向及び列方向に整列して配
   置され、光の出射面を前記基板の表面側に有するととも
   に、前記出射面とその反対側の面とにそれぞれ電極を有
   する赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色
   発光ダイオードを含む複数の発光ダイオード群と、 列方向に整列配置された前記発光ダイオード群列に対し
   て各々設けられ、列方向に延びる複数本のコモンライン
   と、 前記コモンラインと交差する方向に延びる複数組のデー
   タラインであって、各１組ごとに複数本の配線を含む複
   数組のデータラインとを含み、 前記赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色
   発光ダイオードの前記出射面と反対側に形成された電極
   は前記コモンラインと共通に接続され、 前記赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色
   発光ダイオードの前記出射面側に形成された電極は、前
   記複数本の配線各々と接続されており、 前記青色発光ダイオードとして、請求項１から６までの
   いずれか１項に記載の光半導体素子を用いる光半導体装
   置。